JP4239772B2 - 同期運転方法及び数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置指令を同時に複数の制御軸に指令し同期制御を行う同期制御方法に関する。

従来より位置指令を同時に複数の制御軸に指令し、各制御軸の制御ゲインを同一にして、各々独立して位置制御を行う多軸間の同期制御方法では、各制御軸の制御ゲインを同一にすれば、同じ応答特性を得られるため、同期運転が可能であると考えられるが、実際には、前記制御軸の位置制御部の制御周期や、位置検出器の検出周期の違いなどで、位置制御ゲインを同一値に設定しても、微量ではあるが前記位置制御部の応答特性が異なることがある。
検出周期の異なる位置検出器を用いた場合などに、前記位置制御ゲインを補正することによって、検出周期などの違いを補正し、同期運転を行う方法がある。
図７は従来の数値制御装置の１例を示すブロック図である。
図７では、説明を簡単にするために２つの制御軸間の同期運転について説明する。７１は数値制御装置、７２はモータを駆動するモータ制御装置、７３は同期する複数の制御軸に対し同時に位置指令を出力する位置指令出力部、７４は位置指令に従ってモータを制御する位置制御部、７５は位置制御部から出力される速度指令に従ってモータを制御する駆動制御部、７６はモータ制御装置によって駆動されるモータ、７７はモータの位置および速度を検出する検出器、７８は第１の制御軸の遅れ要素１、７９は前記遅れ要素１に基づき、補正した第１の制御軸の位置制御ゲイン１、７１０は第２の制御軸の遅れ要素２、７１１は前記遅れ要素２に基づき、補正した第２の制御軸の位置制御ゲイン２、７１２は、モータの回転を直線運動に変換し、可動テーブル７１３を駆動するボールネジ、７１４は、第１の制御軸と第２の制御軸とを連結する連結ビームを示す。
まず、７３の位置指令出力部から２つの制御軸のモータ制御装置に対し、位置指令が同時に指令される。各々のモータ制御装置には、異なる遅れ要素７８、７１０を持っているため、モータ制御装置の遅れ要素に基づく位置制御ゲイン７９、７１１を設定する。
モータ制御装置の位置制御部は、設定された位置制御ゲインでモータを制御するが、各制御軸の遅れ要素を考慮して、制御ゲインを設定しているため、同一ゲインを設定した場合に比べて、同期精度が向上する。

また、特許文献１に開示の「動く歩道のスクリューロッド同期制御方法及び装置」には３個のモータの同期制御例が示されている。
図８はその動く歩道のスクリューロッド同期制御方法のブロック図であり、マスター回転検出器１２０で検出されたマスターモータ４０の回転速度Ｖ１に対し所要の係数を掛けた回転速度Ｖ１′を、指令値ＶＳと比較すると共に、スレーブモータ４１については、マスターモータ４０の回転位置Ｐ１に対するスレーブモータ４１の回転位置Ｐ２の偏差ΔＰ２に対して適宜所要の位置ゲインを掛けて回転速度に換算した偏差ΔＰ２′を求め速度指令値ＶＳに加算し、スレーブ回転検出器１２１で検出された回転速度Ｖ２に対し所要の係数を掛けた回転速度Ｖ２′を前記偏差ΔＰ２′が加算された指令値ＶＳと比較し、スレーブモータ４２については、マスターモータ４０の回転位置Ｐ１に対するスレーブモータ４２の回転位置Ｐ３の偏差ΔＰ３に対して適宜所要の位置ゲインを掛けて回転速度に換算した偏差ΔＰ３′を求めて速度指令値ＶＳに加算し、スレーブ回転検出器１２２で検出された回転速度Ｖ３に対し適宜所要の係数を掛けた回転速度Ｖ３′を前記偏差ΔＰ３′が加算された指令値ＶＳと比較して同期制御を行っている。

特開２００１−７２３６５号公報（第５〜７頁、図１）

しかしながら、従来の位置又は速度制御ゲインを補正する同期調整では、微細な調整ができないため完全に位置を同期させることができなかった。そのため、例えば、連結された２つの制御軸間で同期運転する場合や、同期する２軸間で切削を行う場合などにおいて、一方の制御軸が他方の制御軸に対して負荷として働いてしまい、両制御軸間で力がかかって異常なトルクが出力され、最悪の場合、オーバーロード等の異常を発生することがあった。
また、位置検出器の検出周期が同一で位置制御ゲインが同一値に設定できる場合でも、異なる慣性モーメントの負荷を制御する場合は、負荷によって発振限界が異なるため、速度制御部や電流制御部の制御ゲインを同一に設定することが困難であり、このような場合、特に加減速時に同期精度が悪化する場合があった。
さらに、同じモータ、検出器および制御ゲインであっても、ボールネジのピッチエラー、リニアガイドの平行度のわずかな相違等、機械的要因のために完全に同期させることができず、異常トルクを出力する場合やオーバーロード等の異常を発生することもあった。
そこで、本発明は、位置指令を同時に複数の制御軸に指令し同期制御を行う同期制御において、電気的、機械的要因によって完全な同期が困難な場合でも、同期精度を確保し、かつ異常なトルクを出力しない同期制御方法を提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の数値制御装置による同期運転方法の発明は、制御軸毎に独立した位置制御部と速度制御部とをそれぞれ有する複数のモータ制御装置に対して、同時に複数の前記制御軸に位置指令を出力することのできる位置指令出力部を有する数値制御装置による同期運転方法において、位置指令を同時に複数の前記モータ制御装置に指令して、前記モータ制御装置で独立に位置および速度制御して同期制御を行う場合に、同期運転している複数の制御軸のうち１軸の速度制御部を完全積分とし、他の軸の速度制御部を不完全積分とすることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の数値制御装置による同期運転方法において、同期運転中の加減速時には前記他の軸の速度制御部の不完全積分率を大きくし、一定速時には前記不完全積分率を小さくするように切り替えることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の数値制御装置による同期運転方法において、送り制御軸のガントリ構造のように制御軸が連結されていて同期運転を行う場合において、同期運転中の停止時には、前記他の軸の速度制御部の不完全積分率を大きくし、加減速および一定速時には前記不完全積分率を小さくするように不完全積分率を切り替えることを特徴とする。
また、請求項４に記載の数値制御装置の発明は、制御軸毎に独立した位置制御部と速度制御部とをそれぞれ有する複数のモータ制御装置に対して、同時に複数の前記制御軸に位置指令を出力することのできる位置指令出力部を有する数値制御装置において、位置指令を同時に複数の前記モータ制御装置に指令して、前記モータ制御装置で独立に位置および速度制御して同期制御を行う場合に、同期運転している複数の制御軸の１軸の速度制御部を完全積分とし、他の軸の速度制御部を不完全積分とすることを特徴とする。

以上述べたように、請求項１および４に記載の発明によれば、位置指令を同時に複数の制御軸に指令し、位置制御ゲインを補正し、かつ同期運転している少なくとも１軸の速度制御部内の積分器に対して不完全積分を行うことによって、同期精度を確保し、かつ異常なトルクを出力しない同期制御を行うことができるという効果がある。
また、請求項２に記載の発明によれば、同期運転中の加減速時には、同期運転している少なくとも一軸の制御軸の不完全積分率を大きくし、一定速時には、不完全積分率を小さくして、完全積分に近づけてもしくは完全積分としてサーボ剛性を上げるように運転中に不完全積分率を切り替えることによって、速度制御部または電流制御部の制御ゲインを同一に設定することが困難である場合でも同期精度を確保し、サーボ剛性を持つ同期制御を行うことができるという効果がある。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、同期運転中の停止時には、同期運転している少なくとも一軸の制御軸の不完全積分率を大きくして同期制御軸間の捻れによる異常なトルク出力を低減し、加減速および一定速時には不完全積分率を小さくして完全積分に近づけてもしくは完全積分としてサーボ剛性を上げるように運転中に不完全積分率を切り替えることによって、切削を行うため高いサーボ剛性が必要な制御軸の同期運転を行うことができるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図に基づいて説明する。
ここでは説明を簡単にするため、２つの制御軸を同期制御する場合に第１の制御軸を完全積分、第２の制御軸を不完全積分とした例について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る同期運転方法が適用される数値制御装置のブロック図である。
図２は図１に示す速度制御部の詳細ブロック図である。
図１において、１１は位置指令を同時に複数の制御軸に出力する数値制御装置、１２は制御軸に出力する位置指令を作成する位置指令作成部、１３は位置指令に従ってモータ１７を駆動するために位置、速度および電流制御を行う第１の制御軸のモータ制御装置、１４はモータ制御装置１３の位置制御部であり、図示していないが、モータ１７の位置フィードバックを位置指令と比較した偏差に位置制御比例ゲインを乗じて速度指令を出力する。

１５はモータ制御装置１３の速度制御部であり、こちらを第１の制御軸としているので、後述のように、モータ１７の速度フィードバックを速度指令と比較した速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じ、積分器により積算して加算し完全積分を行ってトルク指令を出力している。１６はモータ制御装置１３の電流制御部、１７はモータ制御装置１３によって駆動されるモータ、１８はモータ１７の位置等を検出する検出器である。
一方、２１３はモータ２１７を駆動するために位置、速度および電流制御を行う第２の制御軸のモータ制御装置、２１４はモータ制御装置２１３の位置制御部、２１５はモータ制御装置２１３の速度制御部であり、こちらを第２の制御軸としているので、第１の制御軸の速度制御部１５と同様モータ２１７の速度フイードバックを速度指令と比較した速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じた後、後述するように、積分器を不完全積分として動作させている。
２１６はモータ制御装置２１３の電流制御部、２１７はモータ制御装置２１３によって駆動されるモータ、２１８はモータ２１７の位置等を検出する検出器となっている。
そして数値制御装置１１は、モータ制御装置１３およびモータ制御装置２１３に同時に位置指令を出力し、各々の前記モータ制御装置の位置、速度および電流制御の制御ゲインを極力同一設定とすることによって、第１の制御軸と第２の制御軸間で同期運転を行うことできるが、第１の実施の形態では、更に、第２の制御軸の速度制御部２１５の積分器を不完全積分器として第１、第２同期軸間のトルクバランスを取っている。

図２は図１に示したモータ制御装置の速度制御部において、積分器を不完全積分とした場合の詳細ブロック図であり（この場合モータ２１７側を第２の制御軸としているので速度制御部２１５の詳細ブロック図に相当する）、２１は速度指令と速度フィードバックの偏差に乗算する速度制御ゲイン、２２は速度指令と速度フィードバックの偏差を積算する積分器、２３は積分器の積分時定数、２４は積分器の積算値をフィードバックし、積分器を不完全積分とするための係数である。

つぎに図６を参照して動作について説明する。
図６は図１、図２に示す各部の動作波形を示す図であり、図６（ａ）は、目標指令位置を位置制御周期毎の増分値に分割した位置制御部への位置指令、図６（ｂ）は、位置指令とモータに取り付けられた検出器等からの位置フィードバックとの間の偏差に位置制御ゲインを乗じて求められる速度制御部への速度指令、図６（ｃ）は、モータに取り付けられた検出器等からの速度フィードバック、図６（ｄ）は、速度制御部内の積分器に積算された積算値、図６（ｅ）は、速度制御部に基づくモータの出力トルクである。
まず、モータ制御装置１３とモータ制御装置２１３の制御ゲインを全く同一に設定したとして、図６（ａ）に示すような位置指令を入力する。このとき、検出器１８および検出器２１８に検出タイミング差があったとする。例えば、５０［μｓ］の検出タイミング差があるとすると速度１００００［ｒｍｉｎ-1］で運転した場合では３．０［度］の同期誤差を生じることになる。

モータ１７が動かす第１の制御軸とモータ２１７が動かす第２の制御軸が連結されている場合など何らかの拘束状態の場合、前記検出器の検出タイミング差のため、互いに他方への負荷として働くので、多くの場合は、モータ出力の大きい制御軸（モータ１７）に他方の制御軸（モータ２１７）が連れ回されてしまい、モータ出力の小さい制御軸（モータ２１７側）は、図６（ｂ）および（ｃ）のように一定速状態であっても速度指令に対し、速度フィードバックが偏差を持ってしまう。第２の制御軸をモータ出力の小さい制御軸（モータ２１７側）とすると、積分器２２が完全積分の場合は速度偏差が、積分器２２によって図６（ｄ）の（１）のように積算され増加する。そして、積分器２２の出力が大きくなるにつれ図６（ｅ）の（１）のようにモータ出カトルクが増加する。
そこで、本発明のように積分器２２を不完全積分とした場合、積分器２２の積算値を速度制御周期毎に積分器２２の入力から不完全積分率２４を乗算した値ずつ減算し、積分器２２への入力を減少させるため、速度偏差があっても積分器２２の値は、図６（ｄ）の（２）および図６（ｅ）の（２）のように増加率が徐々に減少し、出力トルクを抑えることができる。
これによってモータ１７の第１の制御軸と、モータ２１７の第２制御軸とのトルクバランスが取れ、引き込み等による異常トルクの発生が防止できる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態に係る同期運転方法が適用される速度制御部のブロック図である。図４は図３に示す速度制御部の処理のフローチャートある。
図３に示す第２の実施の形態は、積分器の不完全積分率を切り替える不完全積分率切替部３６を有する場合であり、３１は速度指令と速度フィードバックの偏差に乗算される速度制御ゲイン、３２は偏差を積算する積分器、３３は積分器３２の積分時定数、３４は第１不完全積分率、３５は第２不完全積分率、３６は不完全積分率切替部である。

つぎに図４のフローチャートを参照して動作について説明する。
図４は請求項２における加減速時と一定速時の不完全積分率を切り替える場合の切替判別部のフローチャートである。
まず、今回周期の位置指令と前回周期の位置指令の差を取り、今回周期の指令速度を求める（ステップ４１）。
次に、今回指令速度と前回指令速度を比較し、
（イ）同一であったら一定速状態と見なし、第１の不完全積分率３４を選択し（ステップ４２）、
（ロ）同一値でない場合は、加減速中と見なし、第２の不完全積分率３５を選択する（ステップ４２′）。
最後に、今回周期の指令速度を次回周期の計算用に保存する（ステップ４３）。そして、速度制御部の積分器に対して、選択した不完全積分率に応じた制御を行う。

次に、本発明の第３の実施の形態について図を参照して説明する。
図５は本発明の第３の実施の形態に係る速度制御部の処理のフローチャートである。
図５は、ガントリ構造等で、停止時と加減速および一定速時の不完全積分率を切り替える場合の切替判別部のフローチャートである。
まず、今回周期の位置指令と前回周期の位置指令の差を取り、今回周期の指令速度を求める（ステップ５１）。
次に、今回周期実速度を検出器等から求める。（ステップ５２）
次に今回指令速度が０でかつ今回周期の実速度が予め設定した停止状態と見なす速度以下であるかを判別し、
（イ）停止状態の場合は、第１の不完全積分率３４を選択し（ステップ５３）、
（ロ）停止状態でない場合は、移動中と見なし、第２の不完全積分率３５を選択する（ステップ５３′）。
そして、速度制御部の積分器に対して、選択した不完全積分率に応じた制御を行う。
なお、ここまではモータ１７とモータ２１７による２軸同期の例について説明したが、これに限定されるものでは無く、３軸以上複数の同期軸についても適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る同期運転方法が適用される数値制御装置のブロック図である。 図１に示す速度制御部のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る速度制御部のブロツク図である。 図３に示す速度制御部の処理のフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る速度制御部の処理のフローチャートである。 図１に示す数値制御装置の各部の動作波形例を示す図である。 従来の同期運転方法を示すブロック図である。 従来の同期制御方法のブロック図である。

符号の説明

１１ 数値制御装置
１２ 位置指令作成部
１３、２１３ モータ制御装置
１４、２１４ 位置制御部
１５、２１５ 速度制御部
１６、２１６ 電流制御部
１７、２１７ モータ
１８、２１８ 検出器
２１、３１ 速度制御比例ゲイン
２２、３２ 積分器
２３、３３ 積分時定数
２４ 積算値を積分器の入力ヘフィードバックする係数
３４ 積算値を積分器の入カヘフィードバックする第１の係数
３５ 積算値を積分器の入カヘフィードバックする第２の係数
３６ 不完全積分率を切り替える不完全積分率切替部

Claims (4)

1. 制御軸毎に独立した位置制御部と速度制御部とをそれぞれ有する複数のモータ制御装置に対して、同時に複数の前記制御軸に位置指令を出力することのできる位置指令出力部を有する数値制御装置による同期運転方法において、
   位置指令を同時に複数の前記モータ制御装置に指令して、前記モータ制御装置で独立に位置および速度制御して同期制御を行う場合に、同期運転している複数の制御軸のうち１軸の速度制御部を完全積分とし、他の軸の速度制御部を不完全積分とすることを特徴とする数値制御装置による同期運転方法。
2. 同期運転中の加減速時には前記他の軸の速度制御部の不完全積分率を大きくし、一定速時には前記不完全積分率を小さくするように切り替えることを特徴とする請求項１記載の数値制御装置による同期運転方法。
3. 送り制御軸のガントリ構造のように制御軸が連結されていて同期運転を行う場合において、同期運転中の停止時には、前記他の軸の速度制御部の不完全積分率を大きくし、加減速および一定速時には前記不完全積分率を小さくするように不完全積分率を切り替えることを特徴とする請求項１記載の数値制御装置による同期運転方法。
4. 制御軸毎に独立した位置制御部と速度制御部とをそれぞれ有する複数のモータ制御装置に対して、同時に複数の前記制御軸に位置指令を出力することのできる位置指令出力部を有する数値制御装置において、
   位置指令を同時に複数の前記モータ制御装置に指令して、前記モータ制御装置で独立に位置および速度制御して同期制御を行う場合に、同期運転している複数の制御軸の１軸の速度制御部を完全積分とし、他の軸の速度制御部を不完全積分とすることを特徴とする数値制御装置。

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